BR102017010629A2

BR102017010629A2 - compressor hermético de deslocamento positivo

Info

Publication number: BR102017010629A2
Application number: BR102017010629-2A
Authority: BR
Inventors: Rodrigo Kremer; Ricardo Mikio DOI; Dietmar Erich Bernhard Lilie
Original assignee: Whirlpool S.A.
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-12-04
Also published as: US11378311B2; KR20180127241A; JP2018193999A; US20180335233A1; MX2018006224A; EP3404263A1; CN108953097A

Abstract

a presente invenção pertence ao campo tecnológico de compressores de refrigeração. é revelado um compressor hermético de deslocamento positivo cuja carcaça hermética é especialmente alterada de modo que suas frequências naturais de vibração fiquem distribuídas em frequências acima de 4200 hz e cuja a ?densidade de capacidade? é superior a 160 w/l.

Description

(54) Título: COMPRESSOR HERMÉTICO DE DESLOCAMENTO POSITIVO (51) Int. Cl.: F04B 39/00; F04B 49/06; F04B 49/20; F04B 35/00.

(71) Depositante(es): WHIRLPOOL S.A..

(72) lnventor(es): RODRIGO KREMER; RICARDO MIKIO DOI; DIETMAR ERICH BERNHARD LILIE.

(57) Resumo: A presente invenção pertence ao campo tecnológico de compressores de refrigeração. É revelado um compressor hermético de deslocamento positivo cuja carcaça hermética é especialmente alterada de modo que suas frequências naturais de vibração fiquem distribuídas em frequências acima de 4200 Hz e cuja a ?Densidade de Capacidade? é superior a 160 W/L.

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1/10 “COMPRESSOR HERMÉTICO DE DESLOCAMENTO POSITIVO”

Campo da Invenção [001 ]A presente invenção refere-se a um compressor hermético de deslocamento positivo e, mais particularmente, um compressor hermético alternativo aplicável em sistemas de refrigeração em geral, cujo ruído operacional gerado está predominantemente em uma faixa de frequência de baixa percepção pela audição humana.

Fundamentos da Invenção [002]Como é do conhecimento dos técnicos versados no assunto, compressores herméticos de deslocamento positivo são fundamentalmente integrados por uma carcaça hermética dentro da qual encontram-se funcionalmente alojados, de forma cooperante, pelo menos um motor elétrico e pelo menos um mecanismo de compressão, o qual é basicamente composto por um conjunto cilindropistão. Neste sentido, o funcionamento do motor elétrico, a movimentação do pistão no interior do cilindro comprimindo vapor de fluido refrigerante e a operação das válvulas do compressor geram vibrações e ruídos indesejáveis (ruído contínuo).

[003]As técnicas atuais para redução de ruído de compressores herméticos alternativos podem ser classificadas (i) nas técnicas que atuam na redução da fonte geradora dos transientes de excitação; (ii) nas técnicas que atuam na redução dos caminhos de transmissão entre fonte e o radiador final; e (iii) nas técnicas que atuam no radiador final (principalmente carcaça).

[004]Em especial, considerando os princípios da vibroacústica amplamente conhecidos, é comum observar que as vibrações geradas dentro do compressor no processo de compressão de vapor são transmitidas para a carcaça e podendo ser amplificadas em função das frequências naturais de vibração da carcaça hermética. As tradicionais carcaças herméticas de compressores herméticos de deslocamento positivo aplicados em sistemas de refrigeração residencial (refrigeradores, por

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2/10 exemplo) têm as primeiras frequências naturais a partir de 3200 Hz, a qual coincide com a faixa de frequência bastante sensível às percepções de ruído do ouvido humano. Desta forma, a carcaça hermética do compressor facilita a radiação de ruído em uma faixa de frequência particularmente bem percebida pelos seus usuários. Ressaltando que as referidas frequências naturais da carcaça são da montagem tampa e corpo (sem considerar a placa base de fixação do compressor no sistema).

[005]Neste contexto, nota-se que o atual estado da técnica compreende soluções que visam resolver os problemas de geração, amplificação e radiação de ruído em compressores herméticos alternativos aplicáveis em sistemas de refrigeração em geral.

[006]De acordo com uma primeira vertente, sabe-se que é possível reduzir os ruídos indesejáveis de um compressor hermético de deslocamento positivo por meio da redução da velocidade de operação do motor elétrico que integra o compressor. Tal possibilidade surge de um princípio intuitivo, afinal, observa-se que quanto maior é a capacidade de refrigeração de um compressor (quanto maior é a velocidade de operação de seu motor elétrico), maior é o ruído emitido. Assim, considerando esta primeira vertente, nota-se que os atuais compressores herméticos alternativos aplicáveis em sistemas de refrigeração em geral são integrados por um motor elétrico cuja velocidade angular máxima não ultrapassa 4500 rpm (rotações por minuto) para manter o ruído dentro de limites aceitáveis.

[007]De acordo com uma segunda e terceira vertente, sabe-se que é possível reduzir os ruídos indesejáveis de um compressor hermético de deslocamento positivo por meio da alteração de características específicas de sua carcaça hermética e, em especial, por meio do aumento da rigidez estrutural dinâmica da carcaça hermética via aumento da espessura das paredes da carcaça e/ou otimização do formato geral da mesma. Todavia, vale destacar que a alteração de características específicas da carcaça hermética de um compressor hermético de deslocamento positivo também

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3/10 pode resultar em demais alterações não necessariamente benéficas (por exemplo, o aumento da rigidez estrutural dinâmica da carcaça hermética via aumento de espessura das paredes da carcaça implica no aumento do custo de produção do compressor), as quais devem ser evitadas.

[008]Embora o atual estado da técnica não descreva a combinação destas duas vertentes (que, normalmente, são estudadas e aplicadas de forma independente), é plausível assumir que, visando a máxima redução de ruídos particularmente desagradáveis para os usuários, é possível projetar um compressor hermético alternativo aplicável em sistemas de refrigeração em geral provido de um motor elétrico cuja velocidade angular máxima seja inferior 4500 rpm e provido de uma carcaça hermética com maior rigidez estrutural dinâmica. Este compressor hermético alternativo seria extremamente silencioso, porém, teria uma severa penalidade no que diz respeito à capacidade de refrigeração e custo de produção. Isto significa que as referidas duas vertentes anteriormente discutidas não costumam ser combinadas em função dos resultados insatisfatórios.

[009]É com base neste contexto que surge a invenção em questão.

Objetivos da invenção [010]Assim, é o objetivo fundamental da invenção em questão revelar um compressor hermético de deslocamento positivo cujo ruído operacional predominante gerado esteja situado em uma faixa de frequência menos percebida pela audição humana.

[01 IjConsequentemente, é um dos objetivos da invenção em questão que o compressor hermético de deslocamento positivo ora revelado seja integrado por uma carcaça hermética particularmente provida de frequências naturais situada acima de 4200Hz e, simultaneamente a isto, que o compressor hermético de deslocamento positivo ora revelado compreenda meios capazes de gerar as capacidades de refrigeração tradicionais em aplicações de refrigeração doméstica.

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Sumário da Invenção [012]Os objetivos acima resumidos são integralmente alcançados por meio do compressor hermético de deslocamento positivo, o qual compreende pelo menos uma carcaça hermética (definida pela junção de pelo menos um corpo e pelo menos uma tampa), pelo menos um mecanismo de compressão (definido por pelo menos um cilindro de compressão e um pistão móvel) e pelo menos um motor elétrico (controlado por pelo menos um sistema eletrônico de controle), sendo que o mecanismo de compressão e o motor elétrico, ambos alojados no interior da referida carcaça hermética, são funcionalmente cooperantes entre si.

[013]De acordo com a invenção em questão, a carcaça hermética compreende suas frequências naturais de vibração acima de 4200 Hz e a “Densidade de Capacidade” do compressor é superior a 160 W/L.

Descrição Resumida dos Desenhos [014]A invenção em questão passa a ser pormenorizadamente detalhada nas figuras anexas, as quais:

[015]A figura 1 ilustra um gráfico comparativo entre a “Densidade de Capacidade” do compressor hermético de deslocamento positivo ora revelado (marcação circular) e demais compressores pertencentes ao atual estado da técnica (marcações quadradas);

[016]A figura 2 ilustra um gráfico do nível de loudness específico resultante de uma amplitude de pressão sonora constante. Nota-se o pico do nível de loudness nas frequências em torno de 3100 Hz, para as quais o ouvido humano tem maior sensibilidade às pressões sonoras. Esses valores máximos são reduzidos em aproximadamente 3 phon se a frequência for deslocada para 4200 Hz.

[017]A figura 3 ilustra um gráfico do nível de loudness em função da área superficial da carcaça. Nota-se uma redução de aproximadamente 3 phon se a área da carcaça for reduzida de 1000 cm² para 800 cm²; e

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5/10 [018]A figura 4 ilustra um gráfico do nível de loudness em função da velocidade angular máxima de operação do compressor. O aumento da velocidade angular máxima de 4500 rpm para 5000 rpm acarreta um aumento de aproximadamente 3 phon.

Descrição Detalhada da Invenção [019]No que diz respeito aos compressores herméticos alternativos aplicáveis em sistemas de refrigeração em geral, com base no conteúdo anteriormente abordado considerando o atual estado da técnica e os ensinamentos acobertados por este, é objetivamente plausível aferir que:

[020]I) o ruído operacional do compressor aumenta à medida que a velocidade do motor do compressor é aumentada;

[021 ]ll) o ruído operacional do compressor tende a diminuir à medida que a rigidez estrutural dinâmica da carcaça do compressor é aumentada.

[022] Neste sentido, a invenção em questão propõe diminuir o ruído operacional do compressor (e ainda, diminuir a percepção do ruído operacional do compressor) e manter a capacidade de refrigeração do mesmo, sem que as penalidades da diminuição do ruído operacional influenciem a citada capacidade de refrigeração.

[023]De acordo com a invenção em questão, o compressor hermético de deslocamento positivo é do tipo que compreende minimamente uma carcaça hermética, um mecanismo de compressão e um motor elétrico.

[024]Preferencialmente, mas não limitativamente, a carcaça hermética é definida pela junção de pelo menos um corpo e pelo menos uma tampa, sendo que estas partes, uma vez unidos (preferencialmente, por meio de soldagem), definem um volume interno totalmente hermético.

[025]Também preferencialmente, mas não limitativamente, o mecanismo de compressão é definido por pelo menos um cilindro de compressão e um pistão móvel

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6/10 hábil de ser movimentado, de forma alternativa, no interior do referido cilindro de compressão.

[026]Ainda preferencialmente, mas não limitativamente, motor elétrico (integrado por um rotor e um estator) é controlado por um sistema eletrônico de controle que, em linhas gerias, trata-se de um inversor de frequência para controlar motores elétricos em geral.

[027]Em adição, destaca-se ainda que o mecanismo de compressão e o motor elétrico são funcionalmente cooperantes entre si, e o mecanismo de compressão e o motor elétrico são alojados no interior da referida carcaça hermética.

[028]Em linhas gerais, conceitos gerais relacionados à concretização preferencial dos componentes e sistemas que integram o compressor hermético de deslocamento positivo, de acordo com a invenção em questão, são amplamente conhecidos pelos técnicos versados no assunto. Consequentemente, a suficiência descritiva destes componentes e sistemas faz-se evidente neste cenário.

[029]Visando alcançar os objetivos da invenção em questão, destaca-se que a carcaça hermética é especialmente alterada de modo que suas frequências naturais de vibração fiquem disposta acima de 4200 Hz.

[030]Conforme anteriormente comentado, a definição da frequência natural de vibração da carcaça hermética pode ser realizada de várias formas (redução do tamanho geral da carcaça hermética e alteração do formato geral da carcaça hermética, citando apenas dois exemplos). Todavia, é particularmente adequado que, de acordo com a invenção em questão, a definição da frequência natural de vibração da carcaça hermética se dê predominantemente por meio de sua miniaturização geral.

[031]Assim, de acordo com a invenção em questão, a carcaça hermética compreende um volume funcional interno menor que 1,4 litros. Para que seja possível a miniaturização geral do compressor, e consequentemente se atinja volumes de carcaça menores que 1,4 litros, faz-se necessário o bom aproveitamento do espaço

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7/10 interno do compressor pela compactação dos componentes e otimização da disposição dos mesmos no interior do compressor. Ainda que se faça as ações supracitadas, é também necessário que se reduza o cilindro de compressão, reduzindo a capacidade de refrigeração por ciclo de compressão. Desta forma, o cilindro de compressão do referido mecanismo de compressão possui um volume deslocado menor que 8 cm³.

[032]Estas especificações permitem que as frequências naturais de vibração da carcaça hermética “deslocadas” para uma faixa de frequência na qual a percepção do ouvido humano diminui em pelo menos 3 phon (em relação as carcaças com frequências naturais a partir de 3200 Hz, de acordo com o atual estado da técnica), conforme pode ser visto no gráfico de percepção de ruído (loudness) em função da frequência (Fig. 2). A miniaturização geral do compressor também reduz a área superficial da carcaça do compressor, o que reduz o ruído radiado pela mesma em pelo menos mais 3 phon, conforme gráfico de percepção de ruído (loudness) em função da área da carcaça (Fig. 3).

[033]Considerando as especificações acima - principalmente aquela que determina que a frequências naturais de vibração da carcaça hermética estão postas acima de 4200 Hz, nota-se que grande parte dos objetivos gerais da invenção em questão estão alcançados, afinal, sabe-se que o ouvido humano tem maior percepção nas frequências entre 3000 Hz e 4000 Hz e para faixas de frequências acima de 4000 Hz a percepção começa a diminuir.

[034]As penalidades - redução da capacidade de refrigeração face aos volumes reduzidos da carcaça hermética e do cilindro de compressão do mecanismo de compressão - intrínsecas ao deslocamento das frequências naturais de vibração da carcaça hermética são contornadas por meio do ajuste da velocidade angular do motor elétrico, o qual é adaptado de modo a desenvolver uma velocidade operacional máxima maior que 5000 rpm.

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8/10 [035]Isto significa que a capacidade de refrigeração do compressor hermético de deslocamento positivo, objeto da invenção em questão, ora penalizada em função das características dimensionais da carcaça hermética e do cilindro de compressão, é reestabelecida dentro dos padrões de refrigeração doméstica (entre 50 W e 300 W). Esta capacidade de refrigeração em uma faixa aceitável se dá em razão entre a velocidade operacional do motor elétrico e o volume de compressão do cilindro de compressão do mecanismo de compressão.

[036]Porém, o aumento da velocidade angular do motor elétrico do compressor gera uma penalidade no ruído do compressor, pois a geração de ruído aumenta e, coincidentemente a percepção do ruído também aumenta devido às características dimensionais da carcaça. Conforme pode ser visto no gráfico de loudness em função da velocidade angular do compressor (Fig. 4), a percepção de ruído aumenta em pelo menos 3 phon, quando se aumenta a velocidade angular máxima do compressor de 4500 rpm para 5000 rpm.

[037]Neste contexto, vale enfatizar que a velocidade operacional do motor elétrico (maior do que a convencional velocidade máxima de 4500 rpm, de acordo com o atual estado da técnica) não gera penalidades relevantes no que diz respeito à amplificação de ruídos de operação, afinal, as vibrações geradas pelo compressor em operação serão amplificadas pela carcaça nas suas frequências naturais que agora estão acima de 4200 Hz, a partir da qual a sensibilidade do ouvido humano começa a diminuir.

[038]Além disto, se fizermos uma soma aritmética simples dos efeitos da solução proposta, teremos redução de 6 phon (efeito do aumento das frequências naturais da carcaça e da redução de área da carcaça) contra aumento de 3 phon (gerado pelo aumento da velocidade angular), gerando uma redução líquida de 3 phon no ruído percebido.

[039]A capacidade de refrigeração máxima gerada por um compressor pode

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9/10 ser equacionada da seguinte forma: “Cap = η_νοίχ· p χ V_swept χ f χ ΔΗ”, sendo que

Pvoi” θ θ rendimento volumétrico do dado compressor, “p” é a densidade do fluido refrigerante na pressão de sucção, “V_swept” é o volume deslocado do cilindro de compressão, “f” é a velocidade angular de operação do motor do compressor e “ΔΗ” é a diferença de entalpia de evaporação do sistema de refrigeração.

[040]De acordo com a invenção em questão, cuja premissa considera um mecanismo de compressão de volume de compressão menor que 8 cm³ acionado por um motor elétrico cuja velocidade angular máxima é de 5000 rpm, operando na condição normativa Ashrae LBP (-23,3 °C de temperatura de evaporação e 54,4 °C de temperatura de condensação), o compressor hermético de deslocamento positivo ora revelado é especialmente adaptado para gerar uma capacidade de refrigeração de aproximadamente 223 W.

[041]Uma forma de medir a densidade de capacidade de um compressor se dá pela seguinte fórmula: “Densidade Capacidade = ^Cap/y_oi i_nt”, sendo que “Cap” é a capacidade de refrigeração em Ashrae LBP e “Vol_int” é o volume interno da carcaça do compressor em litros (sem os componentes internos). Neste sentido, considerando o compressor hermético de deslocamento positivo objeto da presente invenção, cujo volume funcional interno é de 1,4 litros, a “Densidade de Capacidade” éde 160W/L.

[042]A figura 1, a qual refere-se um gráfico de “Densidade de Capacidade” considerando a condição normativa Ashrae LBP, ilustra, de forma comparativa, compressores tradicionais pertencentes ao atual estado da técnica (marcações quadradas) e o compressor hermético de deslocamento positivo (marcação circular). Neste sentido, é possível observar que a solução proposta apresenta uma “Densidade de Capacidade” significativamente superior que os compressores existentes.

[043]É importante ressaltar que a descrição acima tem como único objetivo descrever de forma exemplificativa a concretização particular da invenção em

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10/10 questão. Portanto, torna-se claro que modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, continuam dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexas.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1 .Compressor hermético de deslocamento positivo, do tipo de que compreende:

pelo menos uma carcaça hermética definida pela junção de pelo menos um corpo e pelo menos uma tampa;

pelo menos um mecanismo de compressão definido por pelo menos um cilindro de compressão e um pistão móvel;

pelo menos um motor elétrico controlado por pelo menos um sistema eletrônico de controle;

o referido mecanismo de compressão e o referido motor elétrico sendo funcionalmente cooperantes entre si;

o referido mecanismo de compressão e o referido motor elétrico sendo alojados no interior da referida carcaça hermética;

o citado compressor hermético de deslocamento positivo sendo especialmente CARACTERIZADO pelo fato de que:

a referida carcaça hermética compreende a primeira frequência natural de vibração superior a 4200 Hz; e a “Densidade de Capacidade” é superior a 160 W/L.
2. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um volume funcional interno inferior a 1,4 litros
3. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um cilindro de compressão com volume de compressão menor que 8 cm³.
4. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um motor elétrico especialmente adaptado para uma velocidade angular máxima maior que 5000 rpm.
5. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato

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2/2 de ser especialmente adaptado para gerar uma capacidade de refrigeração maior do que 200 W.
6.Compressor, de acordo com todas as reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma “Densidade de Capacidade” superior da 160 W/L.

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Loudness [phon] Capacidade/Volume interno [W/L]

160

140 120

100

80 60

100

150 200 250

Capacidade de refrigeração - Ashrae LBP [W]